3 新型NDT技术研究现状

近年来，随着裂纹检测技术的不断进步和检测需求的改变，萌生了很多基于以往无损检测技术发展起来的新型裂纹检测以及裂纹识别技术。

3.1 激光超声检测技术

以激光作为超声源的激光超声技术在近几年研究和发展迅速[17-18]，已被运用到裂纹无损检测中。激光超声的激发机制有热弹效应、热蚀效应两种[19]。前者激光能量较低，金属表面温度升高产生热应力波，即超声波。后者高能量激光能将材料表层原子瞬间气化成等离子体，释放过程中对试件的反作用力激发超声波。热蚀效应激发的超声波强度较大，能获得更高的信噪比，常用于试件内部裂纹的检测。相比传统的UT探伤技术，激光超声检测裂纹优势诸多，可非接触式检测，无需耦合剂，无污染，对材料表面要求较低，并且具有较高的超声激励效率。激光超声可运用于大面积构件的快速检测，甚至可实现对工作状态下运动构件的在线检测。

国内外对于激光超声的激发以及信号接收已有大量研究。在激发原理上，倪辰荫[20]提出了扫描激光源技术（scanning laser source，SLS），可有效检测与超声波传播方向相对平行的表面裂纹，而不再受超声波波长限制；为解决激光超声信号接收灵敏度较低的问题，付华等[21]设计了一种基于光偏转法的光差分激光超声检测系统，将超声在样品表面的扰动信息转化成光信号，并经过差分、放大，可有效提高激光超声检测信号接收的灵敏度；毛赢等[22]则提出了一种利用激光作为超声激发源，电磁探头接收信号的激光电磁超声检测系统，结合激光超声的高激励效率和EMAT的高接收能力两者优点，该系统成功检测出了样品的内部裂纹，具有较好的实用价值；在信号处理上，张超等人[23]提取了裂纹处超声波入射与反射干涉能量特征，根据声学互易原理完成了整个波场的可视化，借助时间和空间域上的傅里叶变换分离出入射波和反射波能量，完成了裂纹的定位和成像；国外的Master Z M等人[24]同样采用了提取裂纹处超声散射信号的算法，对裂纹进行定量分析，与提取干涉信号可谓异曲同工。

由于激光设备系统复杂，价格高昂，并且检测灵敏度有待提高，在实际裂纹检测中激光超声检测尚未广泛应用。但由于其具有远距离非接触式的特点，未来在特殊领域，特别是高温高压环境、核电领域、腐蚀性环境中的应用将更加普遍。

扫描激光源技术检测裂纹示意图如图1所示。

图1 扫描激光源技术检测裂纹示意图

3.2 电磁超声检测技术

电磁超声检测（electromagnetic acoustic， EMA）是指在金属材料表面施加变化的电磁场，产生的洛伦兹力以及材料自身的磁致伸缩效应激发出应力波，从而产生超声波的一种无损检测技术。该技术与激光超声有诸多共同优点，不需要耦合剂，可非接触式，并能在较为极端的环境温度下进行快速检测[25-26]。但是电磁超声的核心部件-电磁超声换能器（electromagnetic ultrasonic transducer，EMAT）存在换能效率低下的问题，比普通的压电式换能器低20 dB~40 dB，所以回波信号的信噪比较低，过高的发射功率又容易使换能器线圈发热。

近年来，国内外学者在EMA检测技术方面的研究主要旨在提高EMAT的换能效率，以及改进回波信号的提取和后处理方法。在EMAT的设计上，王帅等[27]在换能器线圈上采用了扁平铜线，并用振荡电路进行激励，有效降低了EMAT在工作时的发热量；翟国富等[28]针对螺旋线圈EMAT建立了电磁场的解析模型，通过分析洛伦兹力分布规律得出了永磁体直径为线圈直径1.5~2倍，厚度与直径相等的设计原则；国外的Maclauchlan D等[29]设计了32通道的相控阵EMAT，大大提高了超声的指向性，能够更好地识别微小裂纹。在EMA检测接收信号的处理方面，为了提高信噪比，国内外学者提出了不少分析算法，比如递归分析法，小波变化，自适应降噪，相敏检波算法等。也有学者通过电路设计上的FPGA技术进行降噪，有效地提高了回波信号的信噪比。

目前，相控阵技术、谐振技术、聚焦技术等的应用已经使EMAT功能逐步完善。EMA检测在国内已经有一定的应用，特别是高温管道的检测，铁轨裂纹检测方面有一定的普及[30]。国内关于EMA检测的理论研究已接近国际水平，但在工业领域的推广应用仍有一段路要走。

电磁超声裂纹检测系统图如图2所示。

图2 电磁超声裂纹检测系统图

文章来源：《中国战略新兴产业》 网址: http://www.zgzlxxcy.cn/qikandaodu/2021/0708/1092.html